DE2849344A1 - METHOD FOR SEPARATING A C TIEF 2+ HYDROCARBON FRACTION FROM NATURAL GAS - Google Patents
METHOD FOR SEPARATING A C TIEF 2+ HYDROCARBON FRACTION FROM NATURAL GASInfo
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Description
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LINDE AKTIENGESELLSCHAFTLINDE AKTIENGESELLSCHAFT
(H IO69) H 78/82 (H IO69) H 78/82
Bü/heBü / he
1 4.11.1 4.11.
Verfahren zur Abtrennung einer C2+-Kohlenwasserstoff-Fraktion aus Erdgas Process for separating a C2 + hydrocarbon fraction from natural gas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung einer (^+-Kohlenwasserstoff-Fraktion aus unter erhöhtem Druck stehendem Erdgas mittels Rektifikation, wobei die für die Rektifikation erforderlichen Werte der Temperatur und des Druckes durch Wärmetausch und arbeitsleistende Entspannung erzielt und wobei d ie dabei anfallenden Kondensate einer Rektifiziersäule aufgegeben werden.The invention relates to a method for separating a (^ + - hydrocarbon fraction from under increased pressure standing natural gas by means of rectification, with the Rectification required values of temperature and pressure through heat exchange and work-performing relaxation achieved and whereby the condensates produced thereby are given up to a rectification column.
Ein Verfahren der genannten Art ist bereits aus der US-PS J> 292 380 bekannt. Dabei wird das Erdgas zunächst durch Wärmetausch abgekühlt, wobei leicht kondensierbare Bestandteile flüssig anfallen und zu einem Teil nach Entspannung in die Rektifiziersäule geführt werden. Die beim Wärmetausch gasförmig verbleibenden Bestandteile des Erdgases werden anschließend in einer Expansionsturbine arbeitsleistend auf den Druck der nachfolgenden Rektifiziersäule entspannt.A method of the type mentioned is already known from US Pat. No. J> 292,380. The natural gas is first cooled by heat exchange, whereby easily condensable components are obtained in liquid form and some of them are passed into the rectification column after expansion. The constituents of the natural gas remaining in gaseous form during the heat exchange are then expanded to the pressure of the subsequent rectification column in an expansion turbine, performing work.
Bei kohlendioxidhaltigem Erdgas erweist sich dieses Verfahren als ungünstig, denn das Kohlendioxid muß in einem besonderen vorgeschalteten Verfahrensschritt abgetrenntThis process proves itself in the case of natural gas containing carbon dioxide as unfavorable, because the carbon dioxide has to be separated in a special upstream process step
Form. 5729 7.78Shape. 5729 7.78
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werden. Anderenfalls bestünde nämlich die Gefahr, daß es in den bei tiefen Temperaturen betriebenen Anlagenteilen zu Feststoffausfall und gegebenenfalls sogar zu einer Blockierung der Anlage käme. Hinsichtlich des Feststoffausfalls sind naturgemäß die Anlagenteile besonders gefährdet, an denen die niedrigsten Temperaturenwill. Otherwise there would be the risk of it in the parts of the plant operated at low temperatures Solid failure and possibly even a blockage the plant would come. With regard to the failure of solids, the parts of the plant are naturally particularly at risk those the lowest temperatures
auftreten oder an denen das Kohlendioxid konzentriert wird. Bei dem erwähnten bekannten Verfahren liegt diese besonders gefährdete Stelle im Kopf der Rektifiziersäule, da die Kohlendioxidkonzentration in der Rücklaufflüssigkeit der Rektifiziersäule im allgemeinen höher ist als in der Flüssigkeit am Turbinenaustritt.occur or where the carbon dioxide is concentrated will. In the mentioned known method is this particularly endangered point in the head of the rectification column, because of the carbon dioxide concentration in the reflux liquid the rectification column is generally higher than in the liquid at the turbine outlet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein "Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das es gestattet, auch bei Erdgasen mit etwas höherer Kohlendioxidkonzentration auf eine Kohlendioxid-Abtrennung zu verzichten und das darüberhinaus hinsichtlich Investitions- und Energiekosten günstig ist.The invention is based on the object of a "method of To develop the type mentioned at the beginning, which makes it possible to use natural gases with a slightly higher carbon dioxide concentration To dispense with a carbon dioxide separation and, moreover, with regard to investment and energy costs is cheap.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das bei der arbeits-Ieistenden Entspannung nicht verflüssigte Erdgas durch Wärmetausch mit dem Kopfprodukt der Rektifiziersäule nach dessen arbeitsleistender Entspannung teilweise verflüssigt und in die Rektifiziersäule eingespeist wird.This object is achieved in that the work-performing Relaxation of non-liquefied natural gas by heat exchange with the top product of the rectification column whose work-performing relaxation is partially liquefied and fed into the rectification column.
Während beim bekannten Verfahren der tiefste Druck durch die Turbinenentspannung erzielt wird, die gleichzeitig die Spitzenkälte für die Rektifikation liefert, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Erzeugung der Spitzenkälte und die Einstellung des Säulendruckes voneinander zu trennen. Dabei wird die erste Turbinenentspannung soweit geführt, daß in der Rektifiziersäule die Gefahr des Feststoffausfalls vermjsden wird, ohne daß dabei bereits die erforderliche Kopftemperatur erreicht wird. Diese Spitzenkälte wird vielmehrWhile in the known method, the lowest pressure is achieved by the turbine expansion, which at the same time Provides peak cold for rectification, the invention proposes the generation of peak cold and to separate the setting of the column pressure from each other. The first turbine relaxation is carried out so far that in the rectification column, the risk of solids precipitation will be avoided without the required head temperature being reached is achieved. Rather, this peak cold will
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erst durch eine arbeitsleistende Entspannung des am Kopf der Rektifiziersäule abgezogenen Restgases erzeugt.generated only by a work-performing expansion of the residual gas withdrawn at the top of the rectification column.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Restgas vor seiner arbeitsleistenden Entspannung soweit angewärmt, daß bei der arbeitsleistenden Entspannung keine Kondensatbildung erfolgt. Auf diese Weise wird nämlich sichergestellt, daß auch beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Ausfall von festem Kohlendioxid am Austritt der zweiten Turbine nicht erfolgen kann. Ob diese Erwärmung des Restgases im speziellen Einzelfall zur Vermeidung von Peststoffausfall erforderlich ist, hängt von den jeweiligen Rektifikationsbedingungen und der Zusammensetzung des Erdgases ab, da sie die Verteilung des im Erdgas ursprünglich enthaltenen Kohlendioxids auf das Restgas und auf das Sumpfprodukt der Rektifikation im wesentlichen bestimmen. Vorteilhaft ist diese Erwärmung jedoch auch dann, wenn die Gefahr des Feststoffausfalls bei einer Kondensatbildung nicht besteht, da durch die Anwärmung des Restgases vor der zweiten Turbine die Austauschverluste beim Wärmetäusch gegen das in die Rektifiziersäule einzuführende Erdgas verringert werden können.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the residual gas is released before its work-performing expansion warmed up to such an extent that no condensate formation occurs during the work relaxation. That way will namely, it ensures that even with the method according to the invention there is a failure of solid carbon dioxide at the outlet the second turbine cannot take place. Whether this heating of the residual gas is to be avoided in a specific individual case The amount of pesticide failure required depends on the particular Rectification conditions and the composition of the natural gas depend on the distribution of the natural gas originally essentially determine the carbon dioxide contained on the residual gas and on the bottom product of the rectification. However, this heating is also advantageous if there is no risk of solids failure in the event of condensation exists because the residual gas is heated up before the second Turbine, the exchange losses when exchanging heat for the natural gas to be introduced into the rectification column can be reduced can.
Eine günstige Weiterbildung dieser Verfahrensführung ist darin zu sehen, daß die Anwärmung des Restgases durch Wärmetausch mit dem Erdgas durchgeführt wird, das bei der ersten arbeitsleistenden Entspannung vor der Rektifikation nicht verflüssigt wurde. Auf diese Weise wird nämlich auch die Kälte des Restgases genutzt, die diesem durch die Erwärmung vor der Entspannung entzogen wird.A favorable further development of this process management is therein to see that the heating of the residual gas is carried out by heat exchange with the natural gas, which in the first work-performing relaxation was not liquefied before rectification. In this way, the The cold of the residual gas is used, which is withdrawn from it by the heating before the expansion.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die erwähnten Austauschverluste weiter vermindert werden, wenn ein Teil des Wärmeinhalts des nach der ersten arbeitsleistenden Entspannung anfallenden gasförmigenIn a further embodiment of the method according to the invention, the mentioned exchange losses can be further reduced when a part of the heat content of the gaseous accumulating after the first work-performing expansion
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Stromes für Zwischenheizungen der Rektifiziersäule verwendet wird. Dabei erreicht man besonders gute Anpassungen der Q, T-Verläufe zwischen dem abzukühlenden und dem wieder zu erwärmenden Gasstrom, wenn mehrere Zwischenheizungen verwendet werden.Stromes is used for intermediate heating of the rectification column. Particularly good adjustments are achieved in this way the Q, T curves between the one to be cooled and the one again Gas flow to be heated if several intermediate heaters are used will.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren a^aand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung ichematisch dargestellt ist, näher erläutert.The method according to the invention is a ^ aand one Embodiment that is ichematic in the drawing is shown, explained in more detail.
Über Leitung 1 wird Rohgas unter einem Druck von 40 bar und bei einer Temperatur von 292 K zugeführt. Es handelt sich um ein Erdgas, das sich aus 1,01 Mol.-$ Stickstoff, 81,74 Mol.-Si Methan, 6,70 Mol-# Sthan, 6,88 Mol.-fÄ Propan, 2,41 Mol.-# Butan, 0,76 Mol.-^ Pentan, 0,25 Mol.-$ Hexan, 0,07 Mol.-# Cj+ -Kohlenwasserstoffe und 0,18 Mol.-$ Kohlendioxid zusammensetzt. Der größte Teil dieses Rohgases wird über Leitung 2 in einem ersten Wärmetauscher 3 gegen sich erwärmendes Restgas gekühlt, während ein kleinerer Teil über Leitung 4 abgezweigt und zur Sumpfheizung der Rektifiziersäule 5 verwendet wird. Der sich dabei abkühlende Teilstrom wird über Leitung 6 dem Hauptstrom in Leitung 2 wieder zugemischt, wonach der gesamte Rohgasstrom im Wärmetauscher 7 auf 242 K abgekühlt wird. Dabei kondensieren bereits einige höhersiedende Komponenten, die jedoch entsprechend den Cileichgewichtsbedingungen auch" noch leichtsiedende Bestandteile enthalten. Das Kondensat wird in einem Abscheider 8 abgetrennt, über Leitung 9 abgezogen, im Drosselventil 10 auf den Druck der Rektifiziersäule 5 entspannt und einem weiteren Abscheider 11 zugeführt. Die bei der Entspannung gebildeten Flashgase werden über Leitung 12 direkt der Rektifiziersäule 5 zugeleitet. -Die Einspeisung dieser und der anderen nachfolgend-noch erwähnten einzuspeisenden Fraktionen erfolgt an Stellen, die den Gleichgewichtsverhältnissen in in der Rektifiziersäule 5 und den jeweiligen Zusammensetzungen der einzuspeisenden Fraktionen angepaßt sind.Raw gas is fed in via line 1 under a pressure of 40 bar and at a temperature of 292 K. It is a natural gas, which is made up of 1.01 mol .- $ nitrogen, 81.74 mol .-% Si methane, 6.70 mol .-% sthan, 6.88 mol .-% propane, 2.41 mol. - # butane, 0.76 mol .- $ pentane, 0.25 mol .- $ hexane, 0.07 mol .- $ Cj + hydrocarbons and 0.18 mol .- $ carbon dioxide. Most of this raw gas is cooled via line 2 in a first heat exchanger 3 against warming residual gas, while a smaller part is branched off via line 4 and used to heat the rectification column 5 at the bottom. The partial stream that cools down in the process is mixed again via line 6 with the main stream in line 2, after which the entire raw gas stream is cooled to 242 K in the heat exchanger 7. A few higher-boiling components are already condensing, which, however, also contain low-boiling components according to the Cileich weight conditions. The flash gases formed during the expansion are fed directly to the rectification column 5 via line 12. These and the other fractions to be fed in below are fed in at points which are adapted to the equilibrium conditions in the rectification column 5 and the respective compositions of the fractions to be fed .
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Die bei der Drosselung 10 flüssig gebliebenen Bestandteile werden über Leitung 1J5 aus dem Abscheider 11 abgezogen und zur Verbesserung der Rektifikation im Wärmetauscher 7 gegen Rohgas teilweise wieder verdampft, bevor sie in dieThe constituents that remained liquid at the throttling 10 are drawn off from the separator 11 via line 1J5 and to improve the rectification in the heat exchanger 7 against Raw gas is partially evaporated again before entering the
.5 Rektifiziersäule 5 eintreten..5 rectifying column 5 enter.
Die gasförmige Fraktion aus dem Abscheider 8 wird über Leitung Ik einer Expansionsturbine 15 zugeführt, in der sie auf einen Druck von l6,3 bar entspannt wird. Dabei kühlt sich das Gas auf 208 K ab und es bildet sich ein Kondensat, das im Abscheider 16 abgetrennt und über Leitung 17 der Rektifiziersäule" 5 als Rücklaufflüssigkeit aufgegeben wird. Das entspannte Gas wird über Leitung l8 einem weiteren Wärmetauscher 19 zugeführt und dort weiter abgekühlt, wobei sich wiederum ein Kondensat bildet. Dabei ist darauf zu achten, daß die Abkühlung stets soweit geführt wird, daß die gewünschte Ausbeute an C2+-Kohlenwasserstoffen in den Kondensaten der Abscheider 8 und 16 sowie in dem im Wärmetauscher 19 kondensierten Teil des Gases enthalten sein muß. Hieraus bestimmt sich die Temperatur, die, in Abhängigkeit des bei der Entspannung 15 erreichten Druckes, das Gas am Ausgang des Wärmetauschers 19 annehmen muß. Im vorliegenden Beispiel wird ein 90 #ige Abtrennung des A'thans angestrebt. Dazu istThe gaseous fraction from the separator 8 is fed via line Ik to an expansion turbine 15, in which it is expanded to a pressure of 16.3 bar. The gas cools down to 208 K and a condensate forms, which is separated in separator 16 and fed as reflux liquid via line 17 to rectification column "5. The expanded gas is fed via line 18 to a further heat exchanger 19 and further cooled there Care must be taken that the cooling is always carried out to such an extent that the desired yield of C2 + hydrocarbons is contained in the condensates of the separators 8 and 16 and in the part of the gas condensed in the heat exchanger 19 This determines the temperature which the gas must assume at the outlet of the heat exchanger 19, depending on the pressure reached during expansion 15. In the present example, a 90 degree separation of the ethane is aimed for
es erforderlich, das Gas im Wärmetauscher 19 auf 166 K abzukühlen... Das sich dabei bildende Zweiphasengemisch wird über Leitung 20 in den oberen Bereich der Rektifiziersäule 5 eingespeist.it is necessary to cool the gas in the heat exchanger 19 to 166 K ... The two-phase mixture that forms is fed via line 20 into the upper region of the rectification column 5.
Die unter einem Druck von ΐβ bar betriebene Rektifiziersäule 5 wird in einem Temperaturbereich zwischen 166 K am Kopf und 285 K im Sumpf betrieben. Die Sumpftemperatur wird eingestellt durch Beheizung eines Teils der Sumpfflüssigkeit in einem Wärmetauscher 21 gegen den über Leitung 4 abgezweigten Teil des Rohgases. Das erwärmte Sumpf-The rectification column operated under a pressure of ΐβ bar 5 is operated in a temperature range between 166 K at the top and 285 K in the sump. The sump temperature is set by heating part of the sump liquid in a heat exchanger 21 against the line 4 branched off part of the raw gas. The warmed swamp
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produkt wird über Leitung 22 wieder in den Bodenbereich der Rektifiziersäule 5 zurückgeführt. Eine weitere Heizung 23 ist im unteren Bereich der Säule 5 vorgesehen. Dabei wird das in Leitung 4 geführten Rohgas weiter abgekühlt. Im oberen Bereich der Rektifiziersäule 5 sind Zwischenheizungen 25 und 26 vorgesehen. Dazu wird Flüssigkeit von einem Kolonnenboden abgezogen und im Wärmetauscher 19 g~gen das abzukühlende Gas in Leitung 18 erwärmt, bevor ea wieder in die Rektifiziersäule 5 eingespeist wird. Die praktisch methanfreie C2+-Fraktion sammelt sich im Sumpf und wird über Leitung 27 in einer Menge von 167 naol je 1000 mol Rohgas abgezogen, während am Kopf über Leitung 28 833 mol Restgase anfallen, die nur noch geringe Bestandteile an Kohlenwasserstoffen mit 2 oder mehr Kohlenstoffatomen enthalten. product is returned to the bottom area of rectification column 5 via line 22. Another heater 23 is provided in the lower area of the column 5. The raw gas conducted in line 4 is cooled further in the process. In the upper area of the rectification column 5, intermediate heaters 25 and 26 are provided. For this purpose, liquid is drawn off from a column bottom and the gas to be cooled is heated in line 18 in heat exchanger 19 before it is fed back into rectification column 5. The practically methane-free C2 + fraction collects in the sump and is withdrawn via line 27 in an amount of 167 naol per 1000 mol of crude gas, while at the top via line 28 833 mol of residual gases are obtained which contain only small amounts of hydrocarbons with 2 or more Contain carbon atoms.
Das Restgas wird im Wärmetauscher 19 zunächst im Gegenstrom mit dem Rohgas in Leitung 18 auf 189 K erwärmt und dann in einer Expansionsturbine 29 auf 5»5 bar entspannt. Bei dieser Entspannung, bei der aufgrund der vorhergehenden Erwärmung kein Kondensat anfällt, kühlt sich das Gas auf 151 K ab und liefert damit die zur Rektifikation benötigte Spitzenkälte, die nachfolgend im Wärmetauscher 19 an das Rohgas übertragen wird. Das Restgas wird anschließend im Gegenstrom mit Rohgas in den Wärmetauschern 7 und 3 wieder auf 285 K angewärmt und verläßt die Anlage unter einem Druck von 4,5 bar.The residual gas is first heated in the heat exchanger 19 in countercurrent to the raw gas in line 18 to 189 K and then relaxed in an expansion turbine 29 to 5 »5 bar. at This relaxation, during which no condensate is produced due to the previous heating, cools the gas 151 K and thus supplies the amount required for rectification Peak cold, which is subsequently transferred to the raw gas in the heat exchanger 19. The residual gas is then warmed up again to 285 K in countercurrent with raw gas in the heat exchangers 7 and 3 and leaves the system below a pressure of 4.5 bar.
Die Turbinenleistung der Expansionsturbinen 15 und 2" kann beispielsweise dazu verwendet werden, das Restgas wieder zu verdichten, sofern es unter erhöhtem Druck wieder in eine Pipeline abgegeben werden soll. In anderen Fällen, in denen der Abgabedruck niedrig sein darf und der Anlieferdruck gegegebenenfalls auch gering ist, kann die Turbinenleistung vorteilhaft zur Verdichtung des Rohgases herangezogen werden.The turbine output of the expansion turbines 15 and 2 "can For example, it can be used to compress the residual gas again, provided that it is returned to a Pipeline is to be delivered. In other cases in which the delivery pressure may be low and the delivery pressure, if applicable is also low, the turbine power can advantageously be used to compress the raw gas.
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